人機(jī)交互已被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域。然而，目前的人機(jī)交互主要基于單一交互模式，需要佩戴笨重的設(shè)備或與界面保持物理接觸，導(dǎo)致交互效率和智能化程度有限。基于以上情況，浙江大學(xué)機(jī)械306實(shí)驗(yàn)室劉瑋杰博士生提出了一種新型柔性雙模式電容傳感器，可實(shí)現(xiàn)非接觸距離與接觸壓力的復(fù)合傳感，并應(yīng)用到人機(jī)交互接口中實(shí)現(xiàn)了無觸摸與觸摸雙模式人機(jī)交互。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials Technologies期刊上，題為“A Flexible Dual-Mode Capacitive Sensor for Highly Sensitive Touchless and Tactile Sensing in Human-Machine Interactions”。論文研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高校基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的資助。

該傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由三層組成：頂層和底層是帶有迷宮式銅電極的PET，頂層和底層電極之間夾著一層硅橡膠電介質(zhì)層，具有多孔-截?cái)嘟鹱炙p層微結(jié)構(gòu)。傳感器分為12個(gè)傳感單元，每個(gè)傳感器單元由一對(duì)互補(bǔ)的迷宮電極和一個(gè)多孔-截頂金字塔分層電介質(zhì)組成。通過將電極設(shè)計(jì)成方形迷宮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)邊緣電場(chǎng)，從而提高近距離感知性能。多孔-截?cái)嘟鹱炙謱与娊橘|(zhì)層的設(shè)計(jì)旨在通過分層變形來改善硅橡膠的變形能力，從而提高壓力傳感性能。?

圖1 柔性雙模電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

接近傳感的原理為：上下電極構(gòu)成一個(gè)電容雙極板，當(dāng)外部物體尚未接觸傳感器時(shí)，傳感器通過電極激發(fā)的邊緣電場(chǎng)檢測(cè)外部物體的接近。當(dāng)外部物體接近時(shí)，傳感器激發(fā)的邊緣電場(chǎng)會(huì)減弱。對(duì)于導(dǎo)電物體，原始邊緣電場(chǎng)的減弱主要?dú)w因于靜電感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，絕緣物體則主要通過極化效應(yīng)削弱邊緣電場(chǎng)。壓力傳感的原理為：當(dāng)物體開始對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，介電層開始變形，傳感器內(nèi)部的電場(chǎng)將發(fā)生變化。如圖2(d)所示，在低壓范圍內(nèi)，由于楊氏模量較低，多孔結(jié)構(gòu)會(huì)迅速變形。內(nèi)部孔隙受到擠壓，上下電極之間的距離減小，同時(shí)介電層的介電常數(shù)也會(huì)因空氣受到擠壓而增大。這兩者都會(huì)使傳感器的電容增大。由于多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分散，截頂金字塔形結(jié)構(gòu)在這一階段的變形不明顯。因此，電容的變化主要是由多孔結(jié)構(gòu)的變形造成的。在高壓范圍內(nèi)，內(nèi)部孔隙被充分壓縮，多孔結(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)向下的固體，進(jìn)一步擠壓截頂金字塔形結(jié)構(gòu)。截頂金字塔形結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致上下電極之間的距離縮短，從而使電容繼續(xù)增加。

圖2 柔性雙模電容傳感器的工作原理與仿真分析

所提出的雙模傳感器具有很高的傳感性能，對(duì)人手的非接觸距離檢測(cè)范圍可達(dá)110mm，對(duì)不同接近速度的物體也能很好的區(qū)別檢測(cè)，且具備良好的信號(hào)穩(wěn)定性。壓力檢測(cè)范圍為0至200kPa，具有兩段線性靈敏度，最大靈敏度為0.464% kPa?1。此外，該傳感器還能有效區(qū)分近距離信號(hào)和觸覺信號(hào)，并具有出色的信號(hào)穩(wěn)定性、可重復(fù)性和準(zhǔn)確識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作的能力。

圖3 柔性雙模電容傳感器的性能測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證我們開發(fā)的雙模傳感器在人機(jī)交互中的潛在應(yīng)用，我們進(jìn)行了機(jī)器人交互實(shí)驗(yàn)。如圖4(a)和圖4(b)所示，我們搭建了一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái)。傳感器通過FPC連接到采集電路。MCU通過控制模擬開關(guān)選擇傳感器單元。選定傳感器單元的行電極和列電極隨后連接到AD7153 CDC芯片，該芯片通過在方波激勵(lì)期間連續(xù)采樣通過傳感器的電荷來收集電容數(shù)據(jù)。然后通過USB將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茩C(jī)械臂的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)識(shí)別交互動(dòng)作，然后通過 RS232將控制命令傳輸給機(jī)械臂和機(jī)械手。

圖4 雙模式人機(jī)交互系統(tǒng)搭建示意圖

如圖5所示，手指在傳感器上方依次經(jīng)過傳感器單元1-單元4-單元8-單元11，在時(shí)域中得到相應(yīng)的序列--單元1減小0.38pF，單元4減小0.31pF，單元8減小0.39pF，單元11減小0.45pF。機(jī)械臂能實(shí)時(shí)接收繞Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)指令并完成操作。除了非接觸式交互，傳感器還能很好地實(shí)現(xiàn)接觸式交互，手指與不同的傳感器單元接觸，可依次實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取和釋放，以及機(jī)械臂在Z軸上的下降。傳感器還能連續(xù)實(shí)現(xiàn)一系列動(dòng)作的感知，并能在非接觸式和接觸式交互之間無縫切換。

圖5 非接觸-接觸雙模式人機(jī)交互示意圖

該傳感器的卓越性能不僅推動(dòng)了智能人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，而且凸顯了其在未來人機(jī)界面應(yīng)用中的巨大潛力。通過無縫、準(zhǔn)確地檢測(cè)非觸摸和觸覺輸入，該傳感器可增強(qiáng)用戶的控制能力和直觀的交互體驗(yàn)。將這種傳感器集成到各種交互系統(tǒng)中大有可為，將為人機(jī)交互領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇。

審核編輯：黃飛

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